揭秘｜如何實(shí)現(xiàn)嫦娥六號(hào)的能源保障？

作為目前中國航天史上最復(fù)雜的任務(wù)之一，嫦娥六號(hào)完成了國際上首次在月球背面“挖土”并帶回地球。其中，嫦娥六號(hào)軌道器熱控系統(tǒng)由中國航天科技集團(tuán)八院（又稱上海航天技術(shù)研究院）509所負(fù)責(zé)研制，軌道器、著陸器及上升器電源產(chǎn)品由811所負(fù)責(zé)研制。嫦娥六號(hào)的能源保障有啥特點(diǎn)？科研人員又是如何為嫦娥六號(hào)打造溫暖如春的奔月之路的？

嫦娥六號(hào) 本文圖片均由中國航天科技集團(tuán)提供

高溫剎車防燒傷

面對地月轉(zhuǎn)移、環(huán)月軌道、取樣返回等嫦娥六號(hào)不同飛行階段的極端溫度環(huán)境與超遠(yuǎn)距離熱控制難題，八院509所研制團(tuán)隊(duì)克服重重困難，在熱控重量“瘦身”的同時(shí)，開創(chuàng)性采用錯(cuò)峰補(bǔ)償?shù)闹悄芸販夭呗院投螣岱雷o(hù)復(fù)合系統(tǒng)，呵護(hù)軌道器平安順利地往返。

嫦娥六號(hào)

從地球出發(fā)時(shí)，嫦娥六號(hào)奔月速度約11km/s，當(dāng)來到月球近月點(diǎn)時(shí)，必須及時(shí)地將速度下調(diào)到約2km/s，才能被月球引力捕捉。如果太空剎車力度不夠，速度沒有降下來，探測器將滑入外太空；如果太空剎車過猛，則可能與月球碰撞。為了踩好這一腳“太空剎車”，嫦娥六號(hào)軌道器配備了1臺(tái)3000牛推力的軌道控制發(fā)動(dòng)機(jī)，以進(jìn)行引力捕獲時(shí)的制動(dòng)減速控制。然而，在這樣的地月轉(zhuǎn)移過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)溫度會(huì)升至1100℃-1300℃，如果熱防護(hù)做不到位，軌道器就會(huì)被高溫“燒傷”。

通過反復(fù)迭代仿真和試驗(yàn)，研制團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性提出了二次熱防護(hù)復(fù)合系統(tǒng)。一方面采取高中低溫復(fù)合隔熱多層，將發(fā)動(dòng)機(jī)1300℃高溫輻射影響降低到常溫狀態(tài)，另一方面根據(jù)不同設(shè)備的溫度需求個(gè)性化定制，進(jìn)行二次熱防護(hù)，讓重要載荷單機(jī)遠(yuǎn)離高溫的“烘烤”，為嫦娥六號(hào)軌道器打造舒適的“旅行”體驗(yàn)。

智能控溫更“省油”

在嫦娥六號(hào)著陸器忙著在月球背面“挖土”時(shí)，軌道器一直處于環(huán)月飛行和等候“取件”狀態(tài)，需要經(jīng)歷極為惡劣的熱環(huán)境：受陽光照射時(shí)急劇升溫，加之內(nèi)部電子設(shè)備工作產(chǎn)生的大量熱量，軌道器溫度將升至120℃以上；進(jìn)入月影時(shí)溫度則驟然下降，極端狀態(tài)下軌道器溫度將降至-170℃以下。面對“陰”和“陽”的兩極反轉(zhuǎn)以及內(nèi)部設(shè)備的“作息”切換，軌道器需要設(shè)計(jì)充足的散熱面以滿足“陽面”高溫散熱需求，遇到“陰面”低溫時(shí)則需要開足“電熱毯”來保溫。

為及時(shí)做好“陰陽”的“作息”切換，八院團(tuán)隊(duì)探索出一套錯(cuò)峰補(bǔ)償?shù)目販夭呗?，通過對509所研制的在軌衛(wèi)星海量運(yùn)行數(shù)據(jù)的挖掘，總結(jié)出熱控涂層等材料參數(shù)的空間影響因素和性能變化規(guī)律，建立了準(zhǔn)確的溫度場在軌預(yù)測模型，針對每臺(tái)設(shè)備的在軌溫度特性“對癥下藥”，將整器熱控做到了溫控指標(biāo)最優(yōu)化、自主管理智能化、能源節(jié)省最大化，為任務(wù)成功提供有力支撐。

嫦娥六號(hào)

多措并舉減體重

嫦娥六號(hào)為四器（軌道器、返回器、著陸器、上升器）組合體設(shè)計(jì)，肩負(fù)著全球首次月背“挖土”的重任，一次性需完成“繞、落、回”三個(gè)目標(biāo)，對重量的要求更是苛刻。

為解決嫦娥六號(hào)在飛行過程中能源緊張、重量資源受限的問題，八院811所電源研制團(tuán)隊(duì)從太陽電池電路、鋰離子蓄電池、電源控制器三個(gè)方面入手，將減重發(fā)揮到了極致。相比僅執(zhí)行“落月”、沒有“挖土”任務(wù)的“嫦娥家族”其他成員，電源控制器減重50%，鋰離子蓄電池減重33.5%，太陽電池電路減重15%到20%，成功做到了“身輕如‘娥’”。

嫦娥六號(hào)此次探月之旅歷經(jīng)11個(gè)階段，被稱為我國航天史上“最復(fù)雜的任務(wù)”之一。為了做好11個(gè)階段的能源平衡，811所研制人員制定出了不同的應(yīng)對措施，確保太陽電池翼發(fā)電正常，讓嫦娥六號(hào)“闖關(guān)”道路上始終 “能量滿滿”。

而在軌道器返回器組合體與上升器無人交會(huì)對接后，軌道器這位太空“快遞員”需要及時(shí)將月壤樣本安全無虞地送回地球。在取樣返回階段，為克服月球引力飛回地球，嫦娥六號(hào)軌道器必須輕裝上陣、節(jié)約能源，每多一克的重量，留給月球土壤樣本的空間就會(huì)相應(yīng)壓縮，“減重”成了設(shè)計(jì)師面前的一只“攔路虎”。

為此，八院熱控研制團(tuán)隊(duì)大膽創(chuàng)新，將散熱涂層厚度減薄30%，設(shè)計(jì)出更輕、更薄的柔性散熱面替代常規(guī)艙板，大幅減輕熱控分系統(tǒng)重量。團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了微結(jié)構(gòu)熱管，在減輕重量的同時(shí)，使傳熱能力增幅達(dá)130%，并創(chuàng)新采用差異化熱防護(hù)措施。通過多種減重手段，熱控重量從占整器3%減少到1.3%，成功讓軌道器“瘦身減重”。